粉煤灰混凝土與粉煤灰砂漿－概述（shù）

第三章　粉煤（méi）灰混凝土與粉煤（méi）灰（huī）砂漿

    在第一章敘述粉煤灰的特性時（shí）提到粉煤灰具有火山灰活性。所謂“火山灰活性（xìng）”是指其能在常溫下與石灰起化學反應生成具有膠凝（níng）性能（néng）的水化產物的性能。由於矽酸鹽水泥在水化過程中要產（chǎn）生遊離石灰（以氫氧化（huà）鈣的（de）形式存在），對混凝土性能弊多利少（shǎo），而粉煤灰的火山灰活性使其能與這些（xiē）遊離石（shí）灰結合生成新的膠凝物質，製成比普通混凝土性能優良的優質混凝土。因此，在混凝土中摻入粉煤灰，不但能部分代替水泥，降低（dī）工程（chéng）造價（jià），而且能改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土的理想摻合料。在（zài）現代混凝土中，粉煤灰已經與水泥、集料、水、外加劑同（tóng）樣重（chóng）要，成為混（hún）凝土的一個重要組份。粉煤灰高性能混凝土是（shì）以耐（nài）久性為主要目標進行設（shè）計的混（hún）凝土。它以優異的耐久性（而不一定是（shì）高強度（dù））為主要特征，也就是說，任何強度等級的混凝土都可以做成高耐久性混凝土。

我國已故工程院資深院士吳中偉同誌在（zài）其支世前不（bú）久發表的著名文章：“高性能混凝土——綠色混凝土”中指出：“水泥混凝土作為較大宗人造材料，其資源、能源與環（huán）境問題十分突出，必須及早解（jiě）決（jué），否則將（jiāng）成為不可持（chí）續發展的材料。尤其在中國，人（rén）口眾多，水泥混凝土的需量特大（dà），而資源（yuán）並不（bú）富裕，環境問題也十分突出。為解決這（zhè）些問題，混凝土的生（shēng）產及施工技術必須從原始落後的，以消耗大量資（zī）源、能源為代價的粗放生產經營方式，向大量節約資源（yuán）、能源，減（jiǎn）輕地球環境負荷及維護生態平衡的具有較新、較高技術水平的生產經營方（fāng）式發展（zhǎn）。”吳中偉（wěi）院士接著（zhe）指出：要達到上述目標，必須發展綠（lǜ）色高性能混凝土（GHPC）。他對“綠色”的涵義根括為：

（1）節約資源、能源；

（2）不破壞環境，更應有利於環境；

（3）不破壞（huài）環境（jìng），既要滿足當代人的需要（yào），又（yòu）不危害後代人滿足其需要的能力。

他認為，“高性（xìng）能混凝土（tǔ）”應具有以下特征：

（1）更多（duō）地節約（yuē）孰料水泥，降低能源（yuán）與環境汙染；

（2）更多地摻加工業廢料為主的細摻料；

（3）更大地發揮混凝土的高性能優勢（shì），減少水泥與混凝土的（de）用量。

基於上述對“綠色”和“高性能混凝土”的認識，發展粉煤灰混凝土就是發展綠色高（gāo）性能混凝土，是實施可持續發（fā）展戰略（luè）的重（chóng）要舉措。

第一節（jiē）　概述

　　一、粉（fěn）煤灰在（zài）高（gāo）性能混凝土（tǔ）中的作用（yòng）機理

　　過去，我（wǒ）們認為粉（fěn）煤灰隻是一種節約水泥的混合材，摻入粉煤灰將使混凝土強度降低，以至於人們總是以消極的態度對待粉煤灰在混凝土中的應用（yòng），認為在混凝土中摻入粉煤灰是以降低強度為代價的。但是（shì），自從20世紀80年代後（hòu）期高性能混（hún）凝土開（kāi）始發（fā）展（zhǎn）並（bìng）獲得廣泛應用後，粉煤灰的作用發生（shēng）了變化（huà）。高性能混（hún）凝土的特（tè）點是：膠凝材料用量大，水膠比低（dī），利用高效減水劑來獲（huò）得較（jiào）大的流動性。在這種混凝土中，如果不摻（chān）粉（fěn）煤灰，由於拌和用（yòng）水量小，使早期水泥水化的水分不足（zú），不能充分發揮全部膠凝材料的活性作用，而且由於會產（chǎn）生較大的（de）水化熱，不利（lì）於形成完好、密實的混凝土結構。摻入粉煤（méi）灰後，正（zhèng）好解決（jué）了上述問題，也就是說，摻入粉煤灰（huī）可以改善早期水泥的水化條件（jiàn），提高混（hún）凝土的工作性，發（fā）送水泥與外加劑的相容性，降低水化熱，使混凝（níng）土形成密實的（de）內部（bù）結構。因此（cǐ），粉煤灰不是水（shuǐ）泥（ní）的替代物，而是混凝土的一個獨立組份（fèn），使用它的目（mù）的在於提高混凝土的某一種或某一些重要性能。

對於粉（fěn）煤（méi）灰在高性能混（hún）凝土中的作用機理，清華大學土木工程係覃維祖教授（shòu）通過研究作出（chū）如下解釋（shì）：

長期以來，混凝土通常是在水灰（huī）比（或水膠比（bǐ））相當大的條件下製備（bèi）的（例如W/C≥0.6），這時漿體（tǐ）中水分所占體積大（dà）約（yuē）為2/3，而懸浮（fú）在（zài）其中的水泥顆粒僅占1/3，因此需要大量的水化生成物填充於骨料與水泥顆粒的間隙，才（cái）能將其粘結為一個整體（tǐ）。在這種情況下，水泥的水化活性是（shì）決定性因素：水化活性越大，意味著水化速率越快，水化生成物越（yuè）多，膠凝性能也越好（hǎo），活性高的水泥有充分水化條件，生成大量的凝膠與結（jié）晶，滿足填充空（kōng）隙的需要。因而在用粉煤灰作水泥替代材料時，通常首先考慮它們的水化（huà）活性大小，即填充（chōng）空隙的能力。粉煤灰與水泥水化釋放的氫氧化鈣反應，形成低鈣C-S-H的過程本來（lái）就緩慢，要3~7d才開始；加上氫氧化鈣通過表（biǎo）麵水化生成物層向內部擴散十分困難，因此在混凝土拌（bàn）和後相當長時間裏，粉煤灰的水化產物依然不多，填充空隙的能力差，宏觀表（biǎo）現為混凝土強度在一定齡（líng）期裏隨粉煤灰摻量大呈線性下降。

在混凝土拌和物的水膠化比（水灰比）可以（yǐ）大大降低的情況下（例如W/C≈0.30），水泥顆粒或水泥摻合料顆粒的間（jiān）距明顯減小，需要填充（chōng）空隙的消化生成物量也（yě）隨之大（dà）大（dà）減少。高活性（xìng）的水泥（ní）與摻合料迅速的水化，很快地消耗掉體內本來（lái）較少的水分，因此，供水不足成為影響它們充分（fèn）水化的主要矛盾。當然如果能及時從外界補充水分，體內缺水可以緩解，然而實際情況是通常不可能及時而充分（fèn）地補充水分；同時，在低（dī）水灰比情況下混凝土泌水明（míng）顯減少（shǎo）乃（nǎi）至基本（běn）消失，體內（nèi）的毛細孔在很（hěn）短時間（jiān）裏被水化生成物填充而阻塞，使（shǐ）外界水分也沒有進入混凝土（tǔ）的通道，致使水泥與摻合料無法充分水化，留（liú）下大量未水化的顆粒內芯。雖然內芯與水化產物的界麵粘結強度很好，但因為硬化水（shuǐ）泥漿體內（nèi）大量微孔缺水，會使（shǐ）其自身收縮明顯增大，加上由於早期溫升加劇導致較大的溫度收縮（suō）。在這種收縮（suō）變形、環境（jìng）溫濕度變化、荷載等因（yīn）素形成的應力疊加（jiā）作用下，混（hún）凝土的微結構和（hé）性能產生不利的變化，其中（zhōng）較常見的現象（xiàng）就是宏（hóng）觀裂紋，外界水分和（hé）浸蝕性介質沿裂縫侵入，並逐漸延伸、擴展，給本來密不透水的混凝土結構帶來危害。

摻入粉煤灰後以上問題得到了解決。由於粉煤灰水化較（jiào）緩慢，混凝土拌合物（wù）的初（chū）始水灰比實際要大（dà）得多（水膠比一定的條件（jiàn）下（xià），粉煤灰摻量越多，它自然也就越大），這時高活性水泥的水化顯然要比不摻粉煤（méi）灰的低水（shuǐ）膠比的（de）混凝土的（de）水化迅速而充分，產生大量的水化生成物去（qù）填充相對較小的空隙，釋（shì）放（fàng）出的氫氧化鈣則（zé）提供粉煤灰後續的水化，合混凝土隨齡（líng）期增（zēng）長日益密實（shí），水泥石和骨料的界麵得到顯著加強（過渡區薄弱的氫氧化鈣結晶大在減少），因此獲得良好的力學性能和耐久（jiǔ）性。雖然在拌合時，一部分水分會為粉煤灰所吸附，但是，在水泥水化消（xiāo）耗水分形成的濕度梯度作用下，粉煤灰內的水分會不同（tóng）程度的倒汲（jí）出（chū），對水泥的繼續（xù）水化起（qǐ）了一種“內養（yǎng）護”的作用，這遠比通常的外（wài）部（bù）養（yǎng）護作用（yòng）更大、更均勻。

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